一种基于新型聚碳酸酯纤维（PCF）的光学传感器：用于早期疟疾检测的设计与建模

《Optik》：A novel PCF-based optical sensor: Design and modeling for early malaria detection

疟疾早期检测光子晶体光纤传感器研究。提出一种环状PCF-SPR传感器，通过数学建模和结构创新实现超灵敏检测，对疟原虫裂殖体、滋养体和环形体的折射率变化分别产生650nm、670nm和690nm的共振波长偏移，最大振幅灵敏度达8.3×10^5 RIU?1，线性度达0.99，为非侵入式疟疾快速诊断提供新方案。

　　

Sanjeev Mani Yadav

电子与通信工程系，印度信息技术学院瓦多达拉分校，古吉拉特邦 382028，印度

摘要

本文介绍了一种基于环形光子晶体光纤（PCF）的新型光学器件，该器件结合了数学建模和创新设计，用于早期检测人体血液中的疟疾。该传感器利用镀金PCF结构实现对不同感染阶段疟原虫红细胞的超高幅度敏感性。裂殖体、滋养体和环状阶段的共振波长分别位于650 nm、670 nm和690 nm，最大幅度敏感性达到8.3 × 10⁵ RIU^?1。该器件表现出优异的线性（R²～0.99）和高达2857.14 nm/RIU的波长敏感性。所提出的设计具有前所未有的幅度敏感性，使其成为一种极具前景的、非侵入性的、成本效益高的医疗应用中快速诊断疟疾的工具。

引言

基于光子晶体光纤（PCF）的传感器因其独特的微结构几何形状而成为光学传感领域的强大工具，具有灵活的设计、宽频谱可调性和超高灵敏度。PCF传感器能够实现精确的光线引导、强烈的光-物质相互作用以及增强的衰减场传感，使其非常适合用于化学、生物和医学诊断[1]、[2]、[3]。在各种基于PCF的传感机制中，表面等离子体共振（SPR）传感器因其高灵敏度、无需标记的检测能力和快速响应而受到广泛关注[4]、[5]、[6]。这些传感器能够检测到由于分析物结合而在金属-介质界面发生的微小折射率变化，从而在疾病早期阶段实现有效诊断。

疟疾仍然是全球最普遍的威胁生命的疾病之一，每年有数百万人面临风险，尤其是在热带和亚热带地区[7]。早期检测疟疾对于有效治疗至关重要，可以降低发病率和死亡率。传统的检测方法如显微镜检查和快速诊断测试（RDT）在低寄生虫浓度下往往缺乏足够的灵敏度[8]。光学生物传感技术，特别是基于SPR的传感器，由于其快速、高灵敏度和实时检测能力，提供了一个有前景的替代方案。

文献中报道了多种基于SPR的疟疾传感器，它们使用不同几何形状的镀金或镀银PCF结构来提高灵敏度[9]、[10]。例如，BS等人[11]设计了一种H形PCF SPR传感器，其波长灵敏度为26428 nm/RIU，幅度灵敏度为381 RIU^?1，用于疟疾检测。同样，Ahmed等人[12]提出了一种镀金凹芯PCF SPR传感器，在近红外区域实现了高达40000 RIU^?1的幅度灵敏度。最近，Khan等人[13]报道了一种双极化PCF SPR传感器，用于检测血液样本中的疟原虫，其波长灵敏度为5000 nm/RIU。然而，尽管取得了这些进展，但要实现超过10⁵ RIU^?1

本文提出了一种新型环形PCF几何结构，用于基于医学上已知的感染期间血液样本的折射率变化来早期检测疟疾[7]、[16]。该传感器采用独特的设计，在圆形芯上集成矩形金属贴片，以增强等离子体耦合和衰减场相互作用，从而实现超高幅度敏感性[17]。所提出的传感器表现出10⁵ RIU^?1的幅度敏感性，远超以往疟疾生物传感报告的值[7]、[18]、[19]、[20]。这种异常高的灵敏度承诺即使在最早期的感染阶段也能实现有效检测，并且所需样本量极少。

该设计有望通过提供一种紧凑、无需标记、实时的光学设备来彻底改变疟疾诊断方式，具有前所未有的检测性能。所提出的基于PCF的SPR传感器有可能扩展到其他传染病的检测应用，为生物医学诊断和即时检测开辟新的领域。

部分摘录

传感器几何结构与测量

图1(a-b)分别展示了所提出的基于微结构PCF的SPR传感器几何结构和测量装置。该设计使用掺杂了3.1% GeO₂的熔融石英[21]，并优化了孔径为0.9 μm的空气孔，以形成有效的光线引导。这些空气孔增强了金属-介质界面的相位匹配，同时减少了芯的能量损失。通过分析限制损失，优化了它们的位置以改善x方向的耦合并最大化耦合效果。

提出的制造方案

我们建议采用两种兼容的工艺（平面芯片和光纤/预制棒）在熔融石英上制造该器件。对于平面器件，抛光后的熔融石英晶圆将经过清洁（丙酮、IPA、去离子水）和氧等离子体处理，然后进行光刻[22]。矩形槽（槽长0.9 μm，颈部宽度0.2 μm，头部宽度约0.6 μm）及其周围的空气孔图案（直径约0.9 μm）将通过电子束光刻（PMMA抗蚀剂）定义，并通过ICP-RIE（CHF₃）转移到石英上。

数值分析

使用传输矩阵方法（TMM）[33]、[34]和表面等离子体共振（SPR）相位匹配条件[31]、[35]对所提出传感器的性能进行了数值分析。传感器结构包括石英基底、厚度为t的薄金层以及分析介质（感染疟疾的血浆）。检测原理基于分析物折射率变化引起的共振波长变化。

结果与讨论

研究了所提出的基于PCF的设计中不同感染阶段红细胞的场模式：裂殖体（RI=1.373）、滋养体（RI=1.383）和环状（RI=1.395），与正常红细胞（RI=1.402）进行比较。图2(a–c)展示了这些感染阶段的2D和3D x极化模式，包括芯耦合和SPP模式。SPP模式分别出现在650 nm/840 nm（裂殖体）、670 nm/860 nm（滋养体）和680 nm/880 nm（环状）的波长，证实了在金层处的强耦合。

结论

总之，本文提出了一种基于环形光子晶体光纤（PCF）的表面等离子体共振（SPR）传感器，并对其进行了数值分析，用于早期检测人体血液中的疟疾。所设计的传感器表现出8.3 × 10⁵ RIU^?1的超高幅度敏感性，并且在不同血液条件下的折射率变化下具有优异的线性。所实现的波长灵敏度和性能指标证实了其优越性。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢IIT（BHU）瓦拉纳西分校的Amritanshu Pandey副教授提供COMSOL Multiphysics软件的使用权。